預制拼裝橋梁的接縫疲勞特性分析與實踐

畢浩軍

（邢臺路橋建設集團有限公司，河北 邢臺 054000）

0 引言

目前，國內橋梁工程建設通常采用預應力拼裝工藝開展不同段的拼裝，首先拼裝橋梁上部結構預制段，而后進行預應力張拉及拼裝[1]。應用預應力拼裝技術時，首先需要沿縱梁方向將梁體分塊，將加工段、預制段逐個拼裝至橋梁結構上并使用專用設備安裝，通過預應力拼裝提高不同段之間的連接效果，確保橋梁整體強度[2]。拼接橋梁時，桿塔拼裝位置出現裂縫的概率較高，由于桿塔系統中桿塔面積較大且為鋼結構，不同結構之間通常通過焊接的方式連接，且不同區域組成十分復雜[3]。桿塔系統中采用焊接連接的位置容易出現焊接缺陷，短時間內運行可能不會出現問題，但長期受到車輛荷載、自然因素影響，或在海嘯、大風等自然災害影響下很容易出現接縫疲勞問題[4]。在多方面因素共同影響下，疲勞接縫延伸至斷層，最終會導致橋梁結構受損，甚至引發橋梁倒塌事故。接縫作為特殊預制構件形式，在橋梁結構中強度較低，屬于薄弱環節，要采取有效措施確保拼裝橋梁穩定性，還須進一步分析橋梁預制節點疲勞性能。

1 節段預制拼裝橋梁接縫承載力分析

采用兩點加載法，基于節段預制拼裝橋梁特點分析其承載能力，假設階段為純彎曲受力且受彎曲剪切耦合作用，節點設置在加載點外，即可調節節點實現剪跨比變動[5]。若接縫在承受直接剪切力條件下依然處于加載點外，應在接縫位置周圍設置支點。本文結合上述條件開展試驗分析，探究接縫受力情況。

1.1 接縫受力加載

1.1.1 彎曲受力

節段預制橋梁所受荷載提升過程中，中心節點下緣首先開始受力產生彎曲裂縫并開裂，而后隨荷載進一步增加，裂紋寬度增加并呈現縱向發展趨勢，最終產生破壞裂紋[6]。應力達到混凝土極限強度后，接縫位置附近橋梁混凝土破碎，這一狀態下接縫外預應力筋未達到屈服強度，受拉區域內預應力筋達到屈服強度。由此可知，彎曲受力加載過程不會對接縫產生嚴重破壞。

1.1.2 彎剪耦合受力

荷載作用下，彎剪耦合會導致預制橋梁接縫擴張，造成橋梁結構表面裂紋。隨施加連續加載作用，接縫面的裂縫高度不斷提升，會對混凝土結構產生不斷增大的應力影響，最終導致混凝土梁破壞。極限壓應變破壞模式類似彎曲破壞，但具體效果不明顯。相較于屈服強度，箍筋點受力效果可以忽略不計，因此不考慮縱裂破壞作用下箍筋對接縫強度的影響，彎剪耦合受力加載不會對接縫產生嚴重破壞[7]。

1.1.3 直剪受力

接縫鍵齒在直剪受力加載條件下錯位并形成裂紋[8]。腹板黏結根部中央在直剪受力荷載持續提升條件下逐漸產生豎向裂縫，而后裂縫擴張發展并相互貫通，連接形成宏觀裂縫后切斷腹板上鍵齒。由此可見，接縫破壞效果會受到直剪受力加載的顯著影響。

1.2 承載力分析

本文以預制裝配式橋梁預制接頭所受直剪耦合力、接頭彎曲力和彎剪耦合力為基礎，開展非線性累積條件下疲勞損傷研究[9]。

1.2.1 彎曲承載力

對預制裝配式橋梁預制接頭施加彎曲作用力的條件下，不同混凝土梁節點之間存在強度差異，強度最低位置為混凝土梁端部，可能會出現混凝土壓縮問題，導致早期坍塌，對界面承載能力產生負面影響[10]。

1.2.2 彎剪耦合承載力

在剪切力、正應力共同影響下，連接彎剪區混凝土未達混凝土單軸抗壓強度標準值而出現二維應力斷裂，因此，在剪切力、正應力作用下連接剪切區混凝土未達剪切、彎曲耦合力[11]。

1.2.3 直剪承載力

隨直剪力大小增加，相鄰節點之間出現位置偏移，同時混凝土結構接剪切受壓位置下降，導致相鄰接合節段之間滑移，使得結合部界面平整性下降，出現垂直錯位問題[12]。跨徑頭部位置受到預應力筋拉力影響，該拉力的垂直拉伸作用，可視作外部夾緊力作用至混凝土接縫壓縮位置，應強化壓裂區域混凝土摩擦力，避免結構滑動。接縫的抗滑移承載力在預應力受拉屈服條件下隨滑動幅度提升而降低，這一狀態下接縫處會重新產生剪力并導致直剪破壞問題。

2 疲勞損傷非線性累積規律

在初步明確預制橋連接節點破壞機理、承載力作用機理的條件下，探究預制拼裝橋的接縫疲勞損傷累積計算方式，損傷累積為非線性增長，其計算方程為[13]:

式（1）中，該接縫位置處循環荷載的應力變化情況用σΔ 表示，疲勞試驗周期內應力均值用表示，疲勞因子和荷載次數分別用D和N表示。

預制拼裝橋接縫疲勞損傷會隨荷載作用的持續而累積，并逐漸產生裂紋。因此需要考慮應力幅構件疲勞損傷的微分方程，具體如（2）所示。

式（2）中，循環過程中荷載特征使用因子a表示，使用p、q兩種參數表示溫度。

結合式（2）可簡要評價預制拼裝橋梁混凝土接縫的疲勞性能強弱。以節段預制拼接橋梁為例，某一節段使用半無限彈性體設置，各預制件為混凝土結構，且各個預制件混凝土土層厚度均與預制件間隙寬度基本相等[14]。水平縫隙受到標準車輛循環荷載作用時，荷載集中于縫隙填料位置，混凝土材料和縫隙填料的泊松比、彈性模量相同，在這一狀態下不同節點之間的傳力效果達到極小值，因此可將橋梁結構簡化處理為一段混凝土結構，兩端固定且混凝土厚度較小，如果施加界面壓力，則混凝土層的線性應變為線性變化[15]。

3 接縫疲勞性能分析

在彎剪耦合承載力、彎曲承載力和直剪承載力的共同作用下，節段預制拼裝橋梁接縫的線性應變為線性變化，本文基于此開展疲勞性能分析。

3.1 初始接縫長度

明確疲勞接縫尺寸，設置具體的直剪承載力、彎剪耦合承載力和彎曲耦合力數值，并通過公式（3）計算最大循環應力條件下接縫的韌性。

式（3）中，節段預制橋梁接縫結構相關參數以f表示，最大循環用力使用δmax表示，計算結果接縫韌性用Kc表示。經分析，應力強度因子幅度會直接影響預制橋梁接縫疲勞程度。

3.2 應力強度因子幅計算

預制段橋梁主要指橋梁預制段和規則接縫橋梁，為獲取應力強度因子幅值，將應力強度因子換算為應力幅值。設置多軸非比例循環荷載，此時可直接分析彎曲、直剪和彎剪組合應力條件下應力強度因子變化情況。由于軸向應力遠大于彎曲應力，因此僅須考慮預制橋接縫的軸向應力。非比例循環荷載條件下，直剪荷載、彎剪荷載和彎曲荷載作用如圖1所示。

圖1 彎曲、彎剪和直剪的非比例循環荷載

結合圖1可知，計算循環應力時，如使用循環計算法，則須首先明確對接接縫循環應力幅值，而后分組建立有限元并計算獲取不同節點循環應力幅度條件下的應力強度因子幅度。結合差值獲取不同接縫對應的應力強度因子，并以此為依據計算出任意長度接縫所對應的應力強度因子。

由于橋梁各個節點均處于非比例負載狀態，因此要計算應力強度因子幅，須首先考慮混合節點擴展模式。設彎曲承載力對應應力強度因子幅為ΔK1、彎剪耦合承載力對應應力強度因子幅為ΔK2、直剪承載力對應應力強度因子幅為ΔK3，獲得公式（4）：

公式（4）用于計算等效應力強度因子幅，也可用于計算不規則拼接縫的應力強度因子幅。疲勞分析時要考慮變幅加載條件，則須首先采用循環計數法獲取不同周期拼接縫應力強度系數，而后分別建立有限元模型。應力強度因子能夠用于評價接縫疲勞強度，接縫膨脹范圍隨疲勞接頭變化而變化，其中最小值在疲勞接頭為0時出現，增大過程中，應力幅小于最小值時可等效認為節段接縫不存在縮縫。

3.3 擴展壽命計算

明確節段預制橋梁各項基礎參數后，通過循環計數法具體計算各節段應力強度因子幅值，對比數據庫中最小值判斷是否膨脹，模擬循環累積過程，接縫疲勞損傷不斷累加至拼裝位置出現斷裂，由此計算接縫疲勞伸縮壽命，具體步驟為：

（1）采用循環計數法統計階段預制拼裝應力時的循環應力幅并分組。

（2）構建不同應力幅作用下含節理有限元模型并計算對應的強度因子幅值，依據計算結果建立應力強度因子幅值庫。

（3）結合數據庫內插，以節理初始尺寸為依據計算第一組應力強度因子幅，判定強力因子幅是否大于最小值，若大于，則接縫膨脹。

（4）將第三步中新接縫長度設置為第二組應力強度因子幅值。

（5）重復上述步驟，計算N組應力強度因子幅值并獲取下一期接縫尺寸，重復計算至N組計算完畢，而后根據上述模型計算初期運營過程中節點預制橋梁點的擴展長度。

（6）將第五步中新接縫設置為下一次動荷載時預制橋面接縫初始接縫，而后重復計算前五步，累加橋梁接縫損傷直至斷裂為止。

綜合上述步驟，最終獲取的接縫尺寸從最初連接尺寸發展至連接尺寸耗時即被認為接縫的疲勞伸縮壽命。

4 實例分析

本文以某地跨湖大橋工程為例，該橋為連續鋼橋，主通航孔為4×120m，結合工程整體焊接、現場搭接裝配構設橋接縫節點。為提高計算簡便性，結合大選量三界面鉸接梁情形分析，探究節點位移與荷載之間的關系，其中蓋梁截面、鋼梁結構如圖2所示。

圖2 蓋梁鋼束及斷面示意圖

結合工程相關規范要求將試件卷成砂輪后切割成小梁，小梁長寬高分別為380mm、63.5mm和50mm。設置溫度為0℃、頻率為10Hz，控制正弦荷載四點應變并通過UTM試驗機分析小梁抗疲勞性能。分析圖2中接縫A點、接縫B點、接縫C點荷載-位移變化，結果如圖3所示。

圖3 接縫A、B、C三點的荷載-位移曲線

由圖3（a）可知，接縫A點處，實際荷載-位移曲線可大致分為數段，其中位移在0mm～0.5mm范圍內，接縫荷載從0N逐漸提升至1200N附近，位移增加至0.9mm期間位移僅上升至1250N，位移進一步增加至1.6mm時荷載逐漸下降至520N，位移增加至2.6mm期間荷載保持不變，數值為520N。分析曲線位移在0mm時為0N，位移提升至0.5mm期間增加至1120N，位移增加至0.9mm過程中荷載逐漸提升至1180N，位移提升至1.6mm過程中荷載下降至520N，位移增加至2.6mm期間荷載始終維持不變，數值為520N。

由圖3（b）可知，接縫B點處，實際荷載-位移曲線在位移為0mm時荷載為0N，位移提升至0.7mm期間荷載增加至1950N，位移提升至1.2mm期間荷載維持固定值，數值為1950N，位移增加至1.6mm期間荷載下降至1650N，位移增加至2.5mm期間位移下降至1300N，位移增加至3.3mm期間荷載維持不變，數值為1300N。分析曲線在位移為0mm時荷載為0N，位移增加至1.2mm期間荷載提升至1800N，位移增加至1.6mm期間荷載降低至1550N，位移增加至2.5mm期間荷載降低至1210N，位移增加至3.3mm期間荷載維持不變，數值為1210N。

由圖3（c）可知，接縫C點處，實際荷載-位移曲線在位移為0mm時荷載為0N，位移增加至0.7mm時荷載增加至2000N，位移增加至3.3mm期間荷載維持不變，數值為2000N。分析曲線在位移為0mm時荷載為0N，位移增加至0.7mm時荷載提升至1900N，位移增加至3.3mm期間荷載維持不變，數值為1900N。

綜上所述，分析結果和實際值之間存在一定偏差，其中，接縫A點處出現最大偏差，位移在0.5mm～0.9mm之間時荷載偏差達到最大值，為80N，但處于允許范圍內。

5 結束語

結合本文應用的節段預制拼裝橋梁接縫疲勞性能分析法，獲取以下結論：彎曲承載能力、直剪承載能力和彎剪耦合承載能力相關曲線都會直接影響連接節點承載能力；法向應力降低和節點截面破壞都會導致混凝土剪切帶提升高度，若降低節點的抗彎承載力，依舊保留較強的抗彎能力，當混凝土剪切帶高度和截面平齊時，節點直剪承載力不受影響，但彎曲承載力會有所降低；節段預制拼裝橋梁接縫承載能力受到接縫強度等級、彎曲角度、接縫處理等多方面因素影響，該種連接方式彎剪耦合性能良好且抗直剪破壞能力較強；使用循環計數法計算循環應力幅值并分組計算應力強度因子幅值，有效解決了非比例荷載條件下預制橋梁結構應力強度因子幅值計算困難的問題。